EP3367059A1 - Optoelectronic measuring device with magnetic compass and compensation functionality - Google Patents
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- EP3367059A1 EP3367059A1 EP17158391.7A EP17158391A EP3367059A1 EP 3367059 A1 EP3367059 A1 EP 3367059A1 EP 17158391 A EP17158391 A EP 17158391A EP 3367059 A1 EP3367059 A1 EP 3367059A1
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- G01C17/00—Compasses; Devices for ascertaining true or magnetic north for navigation or surveying purposes
- G01C17/38—Testing, calibrating, or compensating of compasses
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- G01C17/04—Magnetic compasses with north-seeking magnetic elements, e.g. needles
- G01C17/20—Observing the compass card or needle
- G01C17/26—Observing the compass card or needle using electric pick-offs for transmission to final indicator, e.g. photocell
Definitions
- the invention relates to an optoelectronic measuring device, in particular target device, with an electronic magnetic compass for determining the azimuthal orientation of the measuring device and to a method for determining an azimuthal orientation of such an optoelectronic measuring device.
- the invention relates to an automatic compensation of fixed device hard and soft magnetic disturbing influences due to different operating conditions of the meter.
- a fourth is extrapolated from three magnetic states in each case in order to avoid an additional compensation procedure.
- Such gauges are used, for example in object acquisition and geographic information system (GIS) data collection, to determine coordinates of distant objects.
- GIS geographic information system
- Such measuring devices can also be designed as portable target devices, which are used in particular for coordinate determinations of military target objects, such as, for example, B. in the US 7,325,320 B2 described.
- Such determination of target coordinates requires the relative coordinates between the meter and the target object.
- the target device is aligned with the target object and then the azimuthal and zenithal orientation of the target device relative to the ground is determined.
- the determined angle values can then be provided together with a typical accuracy value at a data interface of the target device for transmission to a fire control device. From the Feuerleit Nurs can then have a fire unit fire effect be introduced into an area assigned to the transmitted destination coordinates.
- the magnetic compass is the critical component. Due to the transmitted accuracy value of the azimuthal orientation, it is possible on the one hand to assess the effect of a fire effect to be introduced on the target object and, on the other hand, the probability of collateral damage. If there is a significant deviation between the actual and the given typical accuracy value, this judgment may be wrong.
- These magnetic interference fields include so-called fixed interference fields associated with the measurement location and so-called device-fixed interference fields due to electrical currents as well as hard and soft magnetic materials of the device. in which the magnetic compass is installed.
- apparatus-fixed interference fields of an apparatus with an electronic magnetic compass which has sensors for three-dimensional measuring of a magnetic and gravitational field, can be arithmetically compensated for determining azimuthal orientations of the apparatus by means of a vector equation.
- the parameters of the vector equation must first be determined by means of an optimization method. This optimization method is based on values of a more or less rigid sequence of measurements of the magnetic and gravitational field at a measuring location. In doing so, the device is aligned differently in each case for each of these measurements. In this way, however, fixed magnetic interference fields can neither be compensated nor detected at the measuring location.
- a generic optoelectronic measuring device with a magnetic compass and a compensation functionality for this is, for example, in the US 2015/0012234 A1 described.
- compensation is essential. There are different compensation options for different sources of interference. If the magnetic conditions of a device with built-in magnetic compass change after compensation has already taken place, a new compensation must be carried out.
- a compensation functionality for a digital magnetic compass (DMC) of a generic optoelectronic measuring device is described with several hard magnetic operating states. If the meter is not, or not only, freehand used, but is mounted or mounted on another device that also produces a device fixed interference field or even depending on the state of soft magnetic changes that affect the magnetic compass, that is in the EP 16171143.7 described method only conditionally applicable.
- DMC digital magnetic compass
- a user has such a measuring device that can be used in several different operating states, for example a state for visual observation and a state for observation in the infrared light, and the device is additionally used independently of these operating states in two different ways, Namely, on the one hand freehand and the other mounted on another device, the user has so far for each relevant operating condition and for each type of use perform a compensation, and save the parameters for later use. For two operating states and for two types of use four compensations.
- the other device may in particular also be a firearm.
- the weapon temperature change, shock
- the compensation would therefore have to be repeated accordingly.
- a further object of the invention is to provide such a measuring device and method with an improved handling capability for a user, in particular wherein an initial compensation of the magnetic compass can be carried out faster and with less effort.
- a further object of the invention is to provide such a measuring device and method with a lower susceptibility to errors.
- a further object is to provide such a measuring device that can be made lighter and smaller, in particular with regard to shielding the magnetic compass from other components of the measuring device or from external devices to which the measuring device is connected.
- the derived fourth parameter set corresponds in particular to a parameter set that can be determined based on a fourth magnetic field set, which can be measured in a fourth overall state of the measuring device in which the measuring device assumes the second operating state and the second application state.
- this is a handheld optoelectronic observation device.
- it may have a display unit for displaying measurement data, for example the azimuthal orientation, and an interface for providing a signal that includes information about the azimuthal orientation for an external receiver, eg. B. a geographical Information System (GIS), a military fire control system or a hand-held data processing device.
- GIS geographical Information System
- the magnetic compass of the measuring device has at least three measuring sensors arranged fixed to the device for measuring a magnetic field and the direction of the gravitational field.
- the compensation device has a memory unit for storing at least one of the different interference fields resulting magnetic offset, or an offset of the parameter sets, in particular an offset between the first and a further overall state of the measuring device, wherein the arithmetic unit for calculating the azimuthal orientation of the measuring device in dependence on a current state and based on the magnetic offset is configured.
- the meter is configured to be attached to an external device that generates an external interference field, such as a tripod or a weapon.
- an external interference field such as a tripod or a weapon.
- it is attached to the external device, wherein the first and the second application state of the measuring device differ from each other with regard to the external interference field of the external device.
- the meter may be configured to be attached to various external devices that generate different external interference fields, or to be attached to an external device that is configured to have at least two defined, repeatable states assuming that the external device generates a different external interference field in each of the states.
- the compensation device has a detection unit for detecting a current operating and / or application state of the measuring device.
- the detection unit can be configured to automatically detect the current operating or application state.
- the switching on or off of an electrical system of the measuring device, or a change in position of a hard or soft magnetic component of the measuring device can be detected.
- the detection unit is configured to establish a data connection with the external device, to receive data on a current state of the external device by means of the data connection, and to determine the current application state of the measurement device based on the data on the current state of the external device ,
- the first and the second operating state of the measuring device differ from each other at least with regard to a current state of a switchable electrical system of the measuring device, in particular that the electrical system of the measuring device is switched on or off, and the detection unit is for detecting a current state of the electrical system designed.
- the first and the second operating state can be in a current current and / or Distinguish voltage in the electrical system, and the detection unit configured to determine a current current and / or voltage in the electrical system.
- the switchable electrical system may be, for example, a night vision system or a display device, in particular comprising an LCD display, have a brightness control, or be a GPS or a Bluetooth module.
- the measuring device has at least one hard or soft magnetic component which is designed to occupy at least two different positions in or on the measuring device, wherein the first and the second operating state differ from each other in that the hard or soft magnetic component each having a different position.
- the hard or soft magnetic component in particular a mechanical switch, z. B. be operated by a user tilt, turn or slide switch, or a motorized movable element, z. B. a movable in the context of a zooming optical element.
- the compensation device is designed to instruct a user of the measuring device to execute the initial compensation within the scope of the compensation functionality, in particular by means of an output of instructions on a display unit of the measuring device.
- the instructions may in particular include instructions for changing the operating or application state, that is, for example, instructions for switching on or off an electrical Systems, move a hard or soft magnetic component to another position, or mount the instrument on an external device.
- a second aspect of the present invention relates to a method for compensating a magnetic compass, wherein the magnetic compass is part of a device - in particular an optoelectronic measuring device according to the first aspect -, wherein the device is configured to occupy at least two defined, repeatable operating states, and in each the operating states has a different device fixed magnetic interference field.
- the derived fourth parameter set corresponds to a parameter set which can be determined based on a fourth magnetic field set that can be measured under the influence of the external interference field and the second interference field of the device located in the second operating state.
- the external magnetic interference field is caused by attaching the device to an external device, or by a state change to an external device to which the device is attached, in particular wherein the external device generates the external magnetic interference field.
- the device and the external device are rigidly attached to each other, in particular fixed.
- this comprises an automatic detection of the first and second operating state of the device, in particular comprising detecting a current state of an electrical system of the device, and / or a current position of a hard or soft magnetic component of the device.
- the invention also relates to a computer program product with program code, which is stored on a machine-readable carrier, for carrying out the method according to the invention, in particular when the program is executed on an electronic data processing unit designed as compensation device of the measuring device according to the invention.
- FIG. 1 shows an exemplary optoelectronic measuring device according to the invention 1.
- the measuring device 1 shown here purely by way of example is configured as a hand-held observation device for observing a target object and for detecting coordinates of the target object.
- it has, inter alia, a magnetic compass 10 for determining an azimuthal orientation of the measuring device 1 relative to the earth's magnetic field 11.
- a magnetic compass 10 for such a device according to the invention for example, the DMC series of Vectronix can be used.
- the meter 1 also has a compensation functionality for performing compensation of the magnetic compass 10 prior to detection of coordinates.
- the measuring device 1 in addition to the hand-held application to various be designed to mount external devices.
- a tripod 80 and a weapon 81 are shown here.
- the external devices in particular if they have electrical components or components made of hard and / or soft magnetic materials, generate an external magnetic interference field that can influence the magnetic compass of the measuring device 1.
- FIG. 3 1 shows an exemplary measuring arrangement for determining target coordinates of a distant target object 5.
- the measuring arrangement has a measuring device 1, which is mounted on a stand 80, a GPS receiver 4 and a transmission device 7.
- the target object 5 is formed here by a tracked vehicle, which has gone into position next to a house 6.
- the components GPS receiver 4 and transmission device 7 shown here as external devices can alternatively also be integrated into the measuring device 1.
- the measuring device 1 which is designed here as an observation device and has a sight binocular with a target axis Z, a laser rangefinder and a digital magnetic compass 10 are integrated.
- the digital magnetic compass 10 is indicated as a small cuboid within the binoculars.
- the azimuthal orientation a of the measuring device 1 relative to an imputed north direction N and the latter is determined via the digital magnetic compass 10, which has three magnetic field sensors arranged in a fixed position for three-dimensional measuring of a magnetic field M and two inclination sensors for measuring the direction of the gravitational field G of the earth zenitale orientation relative to a vertical determined.
- N is the - in regional Scale location-dependent - disregard of the geomagnetic field compared to the geographic north direction considered. In a manner known per se, this can be done practically automatically by transmitting a declination value specific to the respective region from the GPS receiver 4 to the measuring device 1.
- a correct compensation of device-fixed interference fields is a prerequisite for a correct determination of the azimuthal alignment, since device-fixed interference fields are in the immediate vicinity of the magnetic compass 10 and therefore not considered changes of device-fixed interference fields can cause considerable azimuth errors. Device-fixed interference fields are also taken into account in the calculated north direction N.
- the difference between the magnetic inclination measured in determining the azimuthal orientation a and the magnetic inclination of the IGRF model is significant compared to the threshold value, then a stationary magnetic interference field of regional extent is present. In this case, the estimation of the accuracy of the azimuthal orientation a by the meter 1 is to be adjusted accordingly.
- the accuracy of azimuthal orientations a can be set according to a compensation accuracy according to another method. This results from the arithmetic compensation of device-fixed interference fields and represents a maximum limit for the achievable accuracy of azimuthal orientations a, if device-fixed interference fields are present and these are compensated when determining azimuthal orientations a. In the present measuring arrangement without stationary interference fields, the accuracy of azimuthal orientations a is approximated by the Compensation accuracy determined.
- the arithmetic compensation device-fixed interference fields is carried out according to the disclosure of DE 196 09 762 C1 via a vector equation whose parameters were determined by means of an optimization method.
- the optimization method is based on values of a predetermined sequence of measurements of the magnetic and gravitational fields M and G, in which sequence the measuring device 1 is aligned differently in space at a measuring location.
- the compensation accuracy is estimated using a statistical equalization method, which is based on the values of the sequence of measurements, taking into account the specified parameters of the vector equation.
- a signal is provided at an interface of the measuring device 1, which, among other things, comprises the determined azimuthal orientation a and its estimated accuracy.
- the signal provided is transmitted to the GPS receiver 4, taken into account in the calculation of the target coordinates and their estimated accuracy and transmitted via the transmission device 7 to a (not shown here) Feuerleit issued.
- the receiver may also be a geographic information system (GIS) or other data processing system or device, in particular a handheld smartphone or a tablet computer.
- GIS geographic information system
- the accuracy can be estimated relatively reliably. As a result, a possible collateral damage to the house 6 can be detected in good time in the event of a planned fire action against the target coordinates.
- Electronic measuring devices 1 like the one in FIG. 1 shown observation device generally have a variety of possible operating conditions. These operating conditions can lead to a different degree of disturbance of the magnetic field, which leads to a different indication of the azimuthal orientation by the magnetic compass. Possible causes of such magnetically variable states of a measuring device are in the FIGS. 4a, b and 5 illustrated.
- FIGS. 4a and 4b an observation device 1 in the supervision.
- the integrated inside the device magnetic compass 10 is shown with dotted lines.
- two manually adjustable by a user of the device switches 40, 42 are shown here, which consist entirely or partially of hard or soft magnetic materials: a slide switch 40, for example, for continuously adjusting a zoom factor, and a rotary switch 42, For example, to turn on and off a night vision operation.
- the two switches 40, 42 in each case assume a first position in FIG. 3a.
- FIG. 3b shows a situation in which the Slide switch 40 from the first position 44 (see FIG. 4a ) was moved by a sliding movement 43 (in particular manually executed by a user) into a second position 44 '. Due to the hard and / or soft magnetic properties of the switch 40, thereby changing the device fixed interference field.
- the magnetic field 11 is thus determined by the magnetic compass 10 with some deviation, offset or offset, and a soft magnetic influence depending on the direction and strength of the earth's magnetic field.
- This offset 13 describes the difference between the determined magnetic field between the device state during the initial compensation and the device state during the coordinate measurement.
- the device therefore preferably has a compensation device which is designed to detect the operating state of the device and to calculate a parameter offset value or to retrieve it from a data memory of the compensation device, depending on a first operating state during the compensation and a current operating state. This offset value is then taken into account in determining the actual azimuthal orientation of the device 1.
- the positions of the two switches 40, 42 is automatically detected during the compensation. Subsequently, the positions are detected further, so that the position change 43 and / or the new position 44 'of the slide switch 40 is detected.
- the resulting offset 13 is stored in a memory of the compensation unit and can be retrieved from this as needed and used to determine the alignment.
- the recording of the positions can be carried out both continuously on an ongoing basis as well as on an occasion basis. In this case, occasion-related means in particular that the positions are detected at least whenever a compensation or a measurement is carried out. Alternatively, it is also possible to monitor a change in position, wherein the device state is also updated, for example, only when a change has been detected.
- FIG. 5 shows the meter 1 in a schematic cross section with exemplary internal components.
- the illustrated internal components comprise, on the one hand, the magnetic compass 10 with a compensation device 50 assigned thereto and, on the other hand, possible hard or soft magnetic interference sources which can adversely affect the determination of an azimuthal orientation by the magnetic compass 1.
- Shown are an energy source in the form of a battery 20 and as a consumer purely by way of example a night vision device 22, a GPS module 24, an LCD display 26, and a motor 28 for operating a zoom device 30. Between the battery 25 and each of the consumers 22, 24, 26, 28 extends an electrical line 21, 23, 25, 27th
- Both the lines and the consumers as switchable electrical systems possible electrical interference sources 21-28 for the magnetic compass 10 is a Compensation of the device 1 performed in a state in which the GPS module 24 and the LCD display 26 are turned on, ie corresponding currents flow through the electrical lines 23, 25 to the two consumers, these hard magnetic noise sources are compensated, so that the magnetic compass 10 in this state of the device 1 works reliably.
- the night vision function may cause increased power consumption of the LCD display 26, thereby increasing the source of interference of the current flow to this electrical system.
- the device has a compensation device 50, which is designed to detect the operating state of the device and to calculate a magnetic offset value or to retrieve it from a memory depending on a first operating state during the compensation and a current operating state.
- the compensation device 50 is configured to detect the state of the individual electrical systems. The interference of each of these systems both in the on and off state on the magnetic compass 10 is known and preferably stored ex works in a memory of the compensation device 50.
- the difference of the impairments, ie here the additional impairment by the switched-on night-vision device 22, is stored as an offset value in the memory of the compensation device 50 and is used to determine the current azimuthal orientation.
- the zoom device 30 here has an adjustable optical element 32. This may also be partially hard or soft magnetic. Preferably, therefore, a position of the optical element 32 can be detected by the compensation device 50 and corresponding offset values are provided retrievable in the memory.
- the “external” application states of the device are distinguished in this document, in which the magnetic compass is exposed to a respective different external magnetic field, in particular of a external device can be generated, near which the compass is positioned.
- FIG. 6a the meter 1 held in the hand by a user 9 while it is in FIG. 6b is mounted on a handgun 81, which the user 9 uses together with the meter 1.
- the magnetic compass 10 of the device detects in both cases the magnetic field 11, in the second case the FIG. 6b due to a magnetic interference field caused by the weapon 81 an offset 13 occurs with respect to the first case.
- FIGS. 7a and 7b this is illustrated with a second example.
- Figure 7a shows a first application state of the measuring device 1, in which it is mounted on an anti-tank weapon 82, which is here used by the user 9 hand-held.
- the anti-tank weapon 82 which may be configured, for example, to shoot a guided missile or a grenade or as a turret, caused in this state, a first magnetic interference field.
- FIG. 7b shows a second application state of the meter 1. It is still mounted on the same anti-tank weapon 82, this is now loaded.
- the missile 85 and the anti-tank weapon 82 together create a different magnetic interference field than the anti-tank weapon 82 in FIG Figure 7a alone.
- the magnetic field measured by the compass 10 accordingly has an offset 13.
- examples of a change of an external hard and soft magnetic interference field include, among other things, mounting on a tripod or the use of a new battery.
- the device-internal magnetic properties do not change, it is sufficient to carry out a compensation in the second (or further) application state only manually in an operating state of the device.
- a compensation in the second (or further) application state only manually in an operating state of the device.
- the values from the other compensations can be determined, as described below becomes.
- a method for extrapolating a magnetic interference compensation parameter set from three other known parameter sets wherein a magnetic field sensor assembly is mounted on a support, which may be, for example, an observation device, and which contains both soft and hard magnetic materials in different positions and / or different states of magnetization, depending on the operating state of the use of the said carrier.
- a first parameter set is determined in a first state
- another parameter set in a second state is determined in a third
- an additional magnetic interferer is attached to said carrier, and a parameter set determined in one of the two previous states. From the existing parameter sets, a suitable parameter set for the other state with the additional interferer is derived.
- This method can be performed both at known ambient field strengths, i. H. for a physically correctly calibrated magnetometer on the carrier or for an uncalibrated magnetic field sensor assembly on the carrier, as well as for unknown ambient field strengths, d. H. at the same environmental field for all measurements or for different environmental field for each measurement.
- the method applies to any number of internal states 1, 2, ..., N ("operating states”; FIGS. 4a-b, 5 ) and external states a, b, c, ... ("application states”; Figures 6a-b, 7a-b ) of the measuring device.
- operating states FIGS. 4a-b, 5
- external states a, b, c, ...
- application states Figures 6a-b, 7a-b
- a hard / soft magnetic compensation as implemented for example in the DMC-SX by Vectronix, determines M, respectively m, and o.
- the device is only compensated in one of the states ZM soft / hard magnetic. All further Z 'M are extrapolated from the parameters of the previous states Z, Z' and the state ZM.
- the sensor matrix M s and sensor offsets o s are known, stable and stored separately, for example by a factory measurement with storage in the DMC itself. This will de facto produce a calibrated magnetic field meter again.
- the soft magnetic effects are relatively small, in the range 1E-2 of the earth's magnetic field.
- the additional factor f Z ' / f Z is insignificant for use for direction finding. If the Z, Z 'measurements took place at the same location (for example, within the framework of a factory calibration), then it is one.
- FIG. 8 is a flow chart illustrating an exemplary method of determining azimuthal alignment.
- FIG. This begins with an initial compensation of the magnetic compass at the location of the measurement. Corresponding compensation data are stored. If the operating status is changed so that the device-fixed interference field changes, this is detected by the device (eg automatically or by user input). Depending on the change, a corresponding offset value, which represents the change of the device-fixed interference field and stored, for example ex-factory in a memory of the device, retrieved from this memory, as soon as the actual measurement is performed. Taking into account the original compensation data and the offset then the orientation can be determined without having to be compensated again. The orientation is used to calculate the measurement data displayed to the user. However, this method does not take into account that the device can also assume different application states with different external interference fields.
- FIGS. 9a and 9b illustrate an initial compensation of the magnetic compass at each of several application
- an initial compensation 100 is shown to be performed on all four necessary compensations as conventional.
- the device is in the first application state 111 and in the first operating state 112.
- first application state 111 the device is thus in the unmounted, hand-held state
- first operating state 112 an infrared device of the device is turned off
- first overall state a first magnetic field is now measured by the magnetic compass 113 and based thereon a first parameter set determined by a computing unit 114.
- This parameter set which contains information about the first magnetic field of the first overall state, is then stored 150 in a data memory of the compensation device.
- the device is placed in a second operating state 122, in particular manually by a user.
- the application state remains initially unchanged 121.
- the device is thus still in the hand-held state (unmounted), but the infrared device is now turned on, which generates a device-fixed interference field.
- a second magnetic field is then measured 123 and based on this a second parameter set is determined 124. The latter is saved 150.
- the device is placed in a second application state 131, that is, for example, mounted on an external device that generates an external magnetic interference field.
- the first operating state is restored 132.
- a third magnetic field is now measured 133 and, based thereon, a third parameter set is determined 134. The latter is stored 150.
- the device is then left in the second application state 141, thus remaining mounted, for example, and the second operating state is again established 142.
- a fourth magnetic field is measured 143 and, based thereon, a fourth parameter set is determined 144. The latter is stored 150.
- the initial compensation 100 is completed and the device can be used as intended 200.
- FIG. 9b an initial compensation 100 is shown, which can be used in a method according to the invention.
- three successive states of the device are first prepared successively (steps 111, 112, 121, 122, 131, 132), wherein in each case a first, second and third magnetic field are measured (steps 113, 123, 133) and corresponding parameter sets determined (steps 114, 124, 134) and are stored 150.
- the measurement in the fourth overall state advantageously does not apply here.
- the fourth parameter set can be derived 145 from the three known parameter sets.
- the fourth parameter set is stored 150, with which the initial compensation 100 is completed, and the device is used as intended (ie, as in eg FIG. 3 shown) can be used 200.
Landscapes
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Messgerät (1) mit einem elektronischen Magnetkompass (10) zum Bestimmen einer azimutalen Ausrichtung des Messgeräts und einer dem Magnetkompass zugeordneten Kompensationseinrichtung zum Kompensieren gerätefester Störfelder, wobei das Messgerät dazu ausgestaltet ist, mindestens zwei definierte, wiederholbare Betriebszustände einzunehmen, wobei das Messgerät in jedem der Betriebszustände ein unterschiedliches gerätefestes Störfeld aufweist, und die Kompensationseinrichtung eine Recheneinheit aufweist sowie eine Kompensationsfunktionalität zum Durchführen einer Initialkompensation des elektronischen Magnetkompasses in einem ersten und einem zweiten Betriebszustand des Messgerätes, wobei das Messgerät dazu ausgestaltet ist, mindestens zwei definierte, wiederholbare Anwendungszustände einzunehmen, wobei der Magnetkompass in jedem der Anwendungszustände einem unterschiedlichen externen magnetischen Störfeld ausgesetzt ist, und die Kompensationseinrichtung zusätzlich zum Kompensieren der externen Störfelder ausgestaltet ist, wobei die Kompensationseinrichtung dazu ausgestaltet ist, im Rahmen der Kompensationsfunktionalität mittels des Magnetkompasses ein erster, zweiter und dritter Magnetfeldsatz in einem ersten, zweiten und dritten Gesamtzustand des Messgerätes zu messen, und durch die Recheneinheit jeweils basierend auf dem ersten, zweiten und dritten Magnetfeldsatz einen ersten, zweiten und dritten Parametersatz zu bestimmen, und basierend auf dem ersten, zweiten und dritten Parametersatz einen vierten Parametersatz abzuleiten.The invention relates to an optoelectronic measuring device (1) having an electronic magnetic compass (10) for determining an azimuthal orientation of the measuring device and a compensating device assigned to the magnetic compass for compensating device-specific interference fields, wherein the measuring device is designed to assume at least two defined, repeatable operating states in each of the operating states, the measuring device has a different device-fixed interference field, and the compensation device has a computing unit and a compensation functionality for performing an initial compensation of the electronic magnetic compass in a first and a second operating state of the measuring device, the measuring device being configured to have at least two defined, repeatable ones Applying application states, wherein the magnetic compass in each of the application states is exposed to a different external magnetic interference field, and di e compensation device is additionally designed to compensate for the external interference fields, wherein the compensation device is configured to measure within the compensation functionality by means of the magnetic compass a first, second and third magnetic field set in a first, second and third overall state of the measuring device, and by the arithmetic unit respectively determine first, second, and third parameter sets based on the first, second, and third magnetic field sets, and derive a fourth parameter set based on the first, second, and third parameter sets.
Description
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Messgerät, insbesondere Zielgerät, mit einem elektronischen Magnetkompass zum Bestimmen der azimutalen Ausrichtung des Messgeräts sowie ein Verfahren zum Bestimmen einer azimutalen Ausrichtung eines solchen optoelektronischen Messgerätes. Insbesondere betrifft die Erfindung eine automatische Kompensation von gerätefesten hart- und weichmagnetischen Störeinflüssen aufgrund unterschiedlicher Betriebszustände des Messgerätes. Dabei wird erfindungsgemäss aus jeweils drei magnetischen Zuständen ein vierter extrapoliert, um eine zusätzliche Kompensationsprozedur zu vermeiden.The invention relates to an optoelectronic measuring device, in particular target device, with an electronic magnetic compass for determining the azimuthal orientation of the measuring device and to a method for determining an azimuthal orientation of such an optoelectronic measuring device. In particular, the invention relates to an automatic compensation of fixed device hard and soft magnetic disturbing influences due to different operating conditions of the meter. According to the invention, in each case a fourth is extrapolated from three magnetic states in each case in order to avoid an additional compensation procedure.
Derartige Messgeräte werden, beispielsweise bei der Objektaufnahme und Datensammlung für Geographische Informationssysteme (GIS), zum Bestimmen von Koordinaten entfernter Objekte eingesetzt. Solche Messgeräte können auch als tragbare Zielgeräte ausgebildet sein, die insbesondere bei Koordinatenbestimmungen militärischer Zielobjekte Verwendung finden, wie z. B. in der
Ein derartiges Bestimmen von Zielkoordinaten erfordert die Relativkoordinaten zwischen dem Messgerät und dem Zielobjekt. Für diesen Zweck wird das Zielgerät auf das Zielobjekt ausgerichtet und dann die azimutale und die zenitale Ausrichtung des Zielgeräts relativ zur Erde bestimmt. Die bestimmten Winkelwerte können dann zusammen mit jeweils einem typischen Genauigkeitswert an einer Datenschnittstelle des Zielgeräts zur Übermittlung an eine Feuerleiteinrichtung bereitgestellt werden. Von der Feuerleiteinrichtung kann dann über eine Feuereinheit Feuerwirkung in ein den übermittelten Zielkoordinaten zugeordnetes Gebiet eingebracht werden.Such determination of target coordinates requires the relative coordinates between the meter and the target object. For this purpose, the target device is aligned with the target object and then the azimuthal and zenithal orientation of the target device relative to the ground is determined. The determined angle values can then be provided together with a typical accuracy value at a data interface of the target device for transmission to a fire control device. From the Feuerleiteinrichtung can then have a fire unit fire effect be introduced into an area assigned to the transmitted destination coordinates.
In Bezug auf die erzielbare Genauigkeit der zu bestimmenden Zielkoordinaten ist der Magnetkompass die kritische Komponente. Aufgrund des übermittelten Genauigkeitswerts der azimutalen Ausrichtung lässt sich einerseits der Effekt einer einzubringenden Feuerwirkung auf das Zielobjekt und andererseits die Wahrscheinlichkeit von Kollateralschäden beurteilen. Bei einer wesentlichen Abweichung zwischen dem effektiven und dem vorgegebenen typischen Genauigkeitswert kann diese Beurteilung falsch sein.With regard to the achievable accuracy of the target coordinates to be determined, the magnetic compass is the critical component. Due to the transmitted accuracy value of the azimuthal orientation, it is possible on the one hand to assess the effect of a fire effect to be introduced on the target object and, on the other hand, the probability of collateral damage. If there is a significant deviation between the actual and the given typical accuracy value, this judgment may be wrong.
Auch mit einem elektronischen Magnetkompass ist beim Bestimmen azimutaler Ausrichtungen nach wie vor grosse Vorsicht geboten, obwohl die Komponenten des Magnet- und Gravitationsfelds als solches mit ausreichender Gerätegenauigkeit messbar sind. Auch lässt sich heute, wie aus der
Diese magnetischen Störfelder umfassen dem Messort zugeordnete, sogenannte ortsfeste Störfelder und sogenannte gerätefeste Störfelder, die auf elektrische Ströme sowie hart- und weichmagnetische Materialien des Geräts zurückgehen, in das der Magnetkompass eingebaut ist.These magnetic interference fields include so-called fixed interference fields associated with the measurement location and so-called device-fixed interference fields due to electrical currents as well as hard and soft magnetic materials of the device. in which the magnetic compass is installed.
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren bekannt, die es ermöglichen, magnetische Störeinflüsse bei Magnetkompassen zu kompensieren. Wie beispielsweise aus der
Ein gattungsgemässes optoelektronisches Messgerät mit einem Magnetkompass und einer Kompensationsfunktionalität für diesen wird beispielsweise in der
Um magnetische Störeinflüsse zumindest zu reduzieren oder vorzugsweise gänzlich zu eliminieren, ist eine Kompensation unumgänglich. Dabei existieren für unterschiedliche Störquellen unterschiedliche Kompensationsmöglichkeiten. Verändern sich die magnetischen Gegebenheiten eines Gerätes mit eingebautem magnetischem Kompass nach bereits erfolgter Kompensation, so muss zwangsläufig eine neue Kompensation durchgeführt werden.To at least reduce or preferably completely eliminate magnetic interference, compensation is essential. There are different compensation options for different sources of interference. If the magnetic conditions of a device with built-in magnetic compass change after compensation has already taken place, a new compensation must be carried out.
Oft tritt aber das Problem auf, dass der Anwender die eigentlich nötige Kompensation nicht durchführt, wodurch die Genauigkeit des Kompasses reduziert ist. Das Unterlassen der erneuten Kompensation resultiert dabei entweder aus Zeitmangel, aus der Unkenntnis des jeweiligen Anwenders, dass eine weitere Kompensation nötig ist, oder - da das Verfahren häufig als umständlich angesehen wird - auf Bequemlichkeit. Um die Zuverlässigkeit der Messungen auch unter Zeitdruck, oder bei wenige erfahrenen Benutzern zu gewährleisten, wäre es daher vorteilhaft, wenn die Zahl der auszuführenden Kompensationen reduziert werden könnte, bzw. wenn der Anwender nach einer Initialkompensation keine weiteren Kompensationen mehr durchführen müsste, nur weil der magnetische Zustand des Gerätes verändert wurde.Often, however, the problem arises that the user does not perform the actually necessary compensation, whereby the accuracy of the compass is reduced. The omission of the renewed compensation results either from lack of time, from the ignorance of the respective user that a further compensation is necessary, or - since the method is often regarded as cumbersome - on convenience. In order to ensure the reliability of the measurements even under time pressure, or with a few experienced users, it would therefore be advantageous if the number of compensations to be executed could be reduced, or if the user no longer had to carry out further compensations after an initial compensation, just because of the magnetic state of the device has been changed.
In der europäischen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer
Hat ein Benutzer ein solches Messgerät, das in mehreren verschiedenen Betriebszuständen verwendet werden kann, also beispielsweise einem Zustand zur visuellen Beobachtung und einem Zustand zur Beobachtung im infraroten Licht, und soll das Gerät zusätzlich unabhängig von diesen Betriebszuständen auf zwei verschiedene Arten verwendet werden, nämlich zum einen freihändig und zum anderen montiert auf einem anderen Gerät, muss der Benutzer bisher für jeden relevanten Betriebszustand und für jede Verwendungsart je eine Kompensation durchführen, und die Parameter zur späteren Verwendung abspeichern. Bei zwei Betriebszuständen und bei zwei Verwendungsarten also vier Kompensationen.If a user has such a measuring device that can be used in several different operating states, for example a state for visual observation and a state for observation in the infrared light, and the device is additionally used independently of these operating states in two different ways, Namely, on the one hand freehand and the other mounted on another device, the user has so far for each relevant operating condition and for each type of use perform a compensation, and save the parameters for later use. For two operating states and for two types of use four compensations.
Das andere Gerät kann insbesondere auch eine Schusswaffe sein. In diesem Fall kann es beispielsweise durch Laden oder Entladen oder auch durch wiederholtes Abfeuern der Waffe (Temperaturänderung, Schock) zu magnetischen Veränderungen kommen. Die Kompensation müsste also dementsprechend oft wiederholt werden.The other device may in particular also be a firearm. In this case, for example, by loading or unloading or by repeated firing of the weapon (temperature change, shock) to magnetic changes. The compensation would therefore have to be repeated accordingly.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes optoelektronisches Messgerät mit einem Magnetkompass bereitzustellen, sowie ein verbessertes Verfahren zum Kompensieren eines Magnetkompasses.It is therefore an object of the invention to provide an improved opto-electronic measuring device with a magnetic compass, as well as an improved method for compensating a magnetic compass.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches Messgerät und Verfahren mit einer verbesserten Handhabbarkeit für einen Benutzer bereitzustellen, insbesondere wobei eine Initialkompensierung des Magnetkompasses schneller und mit weniger Aufwand durchführbar ist.A further object of the invention is to provide such a measuring device and method with an improved handling capability for a user, in particular wherein an initial compensation of the magnetic compass can be carried out faster and with less effort.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein solches Messgerät und Verfahren mit einer geringeren Fehleranfälligkeit bereitzustellen.A further object of the invention is to provide such a measuring device and method with a lower susceptibility to errors.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein solches Messgerät bereitzustellen, dass leichter und kleiner ausgestaltet sein kann, insbesondere hinsichtlich einer Abschirmung des Magnetkompasses gegenüber anderen Komponenten des Messgerätes oder gegenüber externen Geräte, mit denen das Messgerät verbunden wird.A further object is to provide such a measuring device that can be made lighter and smaller, in particular with regard to shielding the magnetic compass from other components of the measuring device or from external devices to which the measuring device is connected.
Insbesondere ist es eine Aufgabe, ein solches Messgerät und Verfahren bereitzustellen, bei dem nach einer Initialkompensation keine weitere Kompensation durchgeführt werden muss, wenn eine bekannte externe magnetische Störung auftritt.In particular, it is an object to provide such a measuring device and method, in which after an initial compensation no further compensation must be performed when a known external magnetic interference occurs.
Mindestens eine dieser Aufgaben wird erfindungsgemäss durch ein optoelektronisches Messgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bzw. das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Weitere alternative oder vorteilhafte Aus- bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.At least one of these objects is achieved according to the invention by an optoelectronic measuring device having the features of
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein optoelektronisches Messgerät mit einem elektronischen Magnetkompass zum Bestimmen einer azimutalen Ausrichtung des Messgeräts und einer dem Magnetkompass zugeordneten Kompensationseinrichtung zum Kompensieren gerätefester Störfelder. Dabei ist das Messgerät dazu ausgestaltet, mindestens zwei definierte, wiederholbare Betriebszustände einzunehmen, und weist in jedem der Betriebszustände ein unterschiedliches gerätefestes Störfeld auf. Die Kompensationseinrichtung weist eine Recheneinheit auf sowie eine Kompensationsfunktionalität zum Durchführen einer Initialkompensation des elektronischen Magnetkompasses in einem ersten und einem zweiten Betriebszustand des Messgerätes. Das Messgerät ist ausserdem dazu ausgestaltet, mindestens zwei definierte, wiederholbare Anwendungszustände einzunehmen, wobei der Magnetkompass in jedem der Anwendungszustände einem unterschiedlichen externen magnetischen Störfeld ausgesetzt ist, und die Kompensationseinrichtung ist zusätzlich zum Kompensieren der externen Störfelder ausgestaltet. Erfindungsgemäss ist die Kompensationseinrichtung dabei dazu ausgestaltet, im Rahmen der Kompensationsfunktionalität mittels des Magnetkompasses
- einen ersten Magnetfeldsatz in einem ersten Gesamtzustand des Messgerätes zu messen, in dem das Messgerät den ersten Betriebszustand und einen ersten Anwendungszustand einnimmt,
- einen zweiten Magnetfeldsatz in einem zweiten Gesamtzustand des Messgerätes zu messen, in dem das Messgerät den zweiten Betriebszustand und den ersten Anwendungszustand einnimmt, und
- einen dritten Magnetfeldsatz in einem dritten Gesamtzustand des Messgerätes zu messen, in dem das Messgerät den ersten Betriebszustand und einen zweiten Anwendungszustand einnimmt, und
- to measure a first magnetic field set in a first overall state of the measuring device, in which the measuring device assumes the first operating state and a first application state,
- to measure a second magnetic field set in a second overall state of the measuring device, in which the measuring device assumes the second operating state and the first application state, and
- to measure a third magnetic field set in a third overall state of the measuring device, in which the measuring device assumes the first operating state and a second application state, and
Der abgeleitete vierte Parametersatz entspricht insbesondere einem Parametersatz, der basierend auf einem vierten Magnetfeldsatz bestimmbar ist, das in einem vierten Gesamtzustand des Messgerätes, in dem das Messgerät den zweiten Betriebszustand und den zweiten Anwendungszustand einnimmt, messbar ist.The derived fourth parameter set corresponds in particular to a parameter set that can be determined based on a fourth magnetic field set, which can be measured in a fourth overall state of the measuring device in which the measuring device assumes the second operating state and the second application state.
Gemäss einer Ausführungsform des Messgerätes ist dieses ein handhaltbares optoelektronisches Beobachtungsgerät. Insbesondere kann dieses eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen von Messdaten, beispielsweise die azimutale Ausrichtung, aufweisen sowie eine Schnittstelle zum Bereitstellen eines Signals, das Information über die azimutale Ausrichtung umfasst, für einen externen Empfänger, z. B. ein Geographisches Informationssystem (GIS), eine militärische Feuerleiteinrichtung oder ein handhaltbares Datenverarbeitungsgerät.According to one embodiment of the measuring device, this is a handheld optoelectronic observation device. In particular, it may have a display unit for displaying measurement data, for example the azimuthal orientation, and an interface for providing a signal that includes information about the azimuthal orientation for an external receiver, eg. B. a geographical Information System (GIS), a military fire control system or a hand-held data processing device.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform weist der Magnetkompass des Messgerätes mindestens drei gerätefest angeordnete Messsensoren zum Messen eines Magnetfelds und der Richtung des Gravitationsfelds auf.According to a further embodiment, the magnetic compass of the measuring device has at least three measuring sensors arranged fixed to the device for measuring a magnetic field and the direction of the gravitational field.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform weist die Kompensationseinrichtung eine Speichereinheit auf zum Speichern mindestens eines aus den unterschiedlichen Störfeldern resultierenden magnetischen Versatzes, bzw. eines Versatzes der Parametersätze, insbesondere eines Versatzes zwischen dem ersten und einem weiteren Gesamtzustand des Messgerätes, wobei die Recheneinheit zum Berechnen der azimutalen Ausrichtung des Messgeräts in Abhängigkeit von einem aktuellen Zustand und basierend auf dem magnetischen Versatz ausgestaltet ist.According to a further embodiment, the compensation device has a memory unit for storing at least one of the different interference fields resulting magnetic offset, or an offset of the parameter sets, in particular an offset between the first and a further overall state of the measuring device, wherein the arithmetic unit for calculating the azimuthal orientation of the measuring device in dependence on a current state and based on the magnetic offset is configured.
In einer Ausführungsform ist das Messgerät dazu ausgestaltet, an einem externen Gerät angebracht zu werden, das ein externes Störfeld erzeugt, beispielsweise an einem Stativ oder einer Waffe. In mindestens einem der mindestens zwei Anwendungszustände ist es an dem externen Gerät angebracht, wobei der erste und der zweite Anwendungszustand des Messgerätes sich hinsichtlich des externen Störfeldes des externen Gerätes voneinander unterscheiden.In one embodiment, the meter is configured to be attached to an external device that generates an external interference field, such as a tripod or a weapon. In at least one of the at least two application states, it is attached to the external device, wherein the first and the second application state of the measuring device differ from each other with regard to the external interference field of the external device.
Insbesondere kann das Messgerät dazu ausgestaltet sein, an verschiedenen externen Geräten angebracht zu werden, die unterschiedliche externe Störfelder erzeugen, oder an einem externen Gerät angebracht zu werden, das dazu ausgestaltet ist, mindestens zwei definierte, wiederholbare Zustände einzunehmen, wobei das externe Gerät in jedem der Zustände ein unterschiedliches externes Störfeld erzeugt.In particular, the meter may be configured to be attached to various external devices that generate different external interference fields, or to be attached to an external device that is configured to have at least two defined, repeatable states assuming that the external device generates a different external interference field in each of the states.
In einer anderen Ausführungsform des Messgerätes weist die Kompensationseinrichtung eine Erfassungseinheit zum Erfassen eines aktuellen Betriebs- und/oder Anwendungszustandes des Messgerätes auf. Insbesondere kann die Erfassungseinheit dabei dazu ausgestaltet sein, den aktuellen Betriebs- bzw. Anwendungszustand automatisch zu erfassen.In another embodiment of the measuring device, the compensation device has a detection unit for detecting a current operating and / or application state of the measuring device. In particular, the detection unit can be configured to automatically detect the current operating or application state.
Zum Erfassen des Betriebszustands kann beispielsweise das Ein- bzw. Ausschalten eines elektrischen Systems des Messgerätes, oder eine Positionsveränderung eines hart- oder weichmagnetischen Bauteiles des Messgerätes erfasst werden.For detecting the operating state, for example, the switching on or off of an electrical system of the measuring device, or a change in position of a hard or soft magnetic component of the measuring device can be detected.
In einer Ausführungsform ist die Erfassungseinheit dazu ausgestaltet, eine Datenverbindung mit dem externen Gerät herzustellen, Daten über einen aktuellen Zustand des externen Gerätes mittels der Datenverbindung zu empfangen, und den aktuellen Anwendungszustand des Messgerätes basierend auf den Daten über den aktuellen Zustand des externen Gerätes zu ermitteln.In one embodiment, the detection unit is configured to establish a data connection with the external device, to receive data on a current state of the external device by means of the data connection, and to determine the current application state of the measurement device based on the data on the current state of the external device ,
In einer anderen Ausführungsform unterscheiden der erste und der zweite Betriebszustand des Messgerätes sich zumindest hinsichtlich eines aktuellen Zustandes eines zuschaltbaren elektrischen Systems des Messgerätes voneinander, insbesondere darin, dass das elektrische System des Messgerätes ein- bzw. ausgeschaltet ist, und die Erfassungseinheit ist zum Erkennen eines aktuellen Zustandes des elektrischen Systems ausgestaltet.In another embodiment, the first and the second operating state of the measuring device differ from each other at least with regard to a current state of a switchable electrical system of the measuring device, in particular that the electrical system of the measuring device is switched on or off, and the detection unit is for detecting a current state of the electrical system designed.
Insbesondere können der erste und der zweite Betriebszustand sich in einer aktuellen Stromstärke und/oder Spannung in dem elektrischen System voneinander unterscheiden, und die Erfassungseinheit zum Ermitteln einer aktuellen Stromstärke und/oder Spannung in dem elektrischen System ausgestaltet sein.In particular, the first and the second operating state can be in a current current and / or Distinguish voltage in the electrical system, and the detection unit configured to determine a current current and / or voltage in the electrical system.
Das zuschaltbare elektrische System kann beispielsweise ein Nachtsichtsystem oder eine Anzeigeeinrichtung sein, insbesondere aufweisend ein LCD-Display, eine Helligkeitsregelung aufweisen, oder auch ein GPS- oder ein Bluetooth-Modul sein.The switchable electrical system may be, for example, a night vision system or a display device, in particular comprising an LCD display, have a brightness control, or be a GPS or a Bluetooth module.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform weist das Messgerät mindestens ein hart- oder weichmagnetisches Bauteil auf, das dazu ausgestaltet ist, mindestens zwei unterschiedliche Positionen im oder am Messgerät einzunehmen, wobei der erste und der zweite Betriebszustand sich darin voneinander unterscheiden, dass das hart- oder weichmagnetische Bauteil jeweils eine andere Position aufweist.According to a further embodiment, the measuring device has at least one hard or soft magnetic component which is designed to occupy at least two different positions in or on the measuring device, wherein the first and the second operating state differ from each other in that the hard or soft magnetic component each having a different position.
Das hart- oder weichmagnetische Bauteil kann insbesondere ein mechanischer Schalter, z. B. ein von einem Benutzer zu betätigender Kipp-, Dreh- oder Schiebeschalter, oder ein motorisiert verfahrbares Element sein, z. B. ein im Rahmen eines Zoom-Vorgangs verfahrbares optisches Element.The hard or soft magnetic component, in particular a mechanical switch, z. B. be operated by a user tilt, turn or slide switch, or a motorized movable element, z. B. a movable in the context of a zooming optical element.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist die Kompensationseinrichtung dazu ausgestaltet, im Rahmen der Kompensationsfunktionalität einen Benutzer des Messgerätes zum Ausführen der Initialkompensation anzuleiten, insbesondere mittels einer Ausgabe von Handlungsanweisungen auf einer Anzeigeeinheit des Messgerätes. Die Handlungsanweisungen können insbesondere Anweisungen zum Verändern des Betriebs- oder Anwendungszustandes beinhalten, also beispielsweise Instruktionen zum Ein- oder Ausschalten eines elektrischen Systems, Bewegen eines hart- oder weichmagnetischen Bauteils in eine andere Position oder Montieren des Messgeräts auf einem externen Gerät.According to a further embodiment, the compensation device is designed to instruct a user of the measuring device to execute the initial compensation within the scope of the compensation functionality, in particular by means of an output of instructions on a display unit of the measuring device. The instructions may in particular include instructions for changing the operating or application state, that is, for example, instructions for switching on or off an electrical Systems, move a hard or soft magnetic component to another position, or mount the instrument on an external device.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation eines Magnetkompasses, wobei der Magnetkompass Teil eines Gerätes ist - insbesondere eines optoelektonischen Messgerätes gemäss den ersten Aspekt -, wobei das Gerät dazu ausgestaltet ist, mindestens zwei definierte, wiederholbare Betriebszustände einzunehmen, und in jedem der Betriebszustände ein unterschiedliches gerätefestes magnetisches Störfeld aufweist.A second aspect of the present invention relates to a method for compensating a magnetic compass, wherein the magnetic compass is part of a device - in particular an optoelectronic measuring device according to the first aspect -, wherein the device is configured to occupy at least two defined, repeatable operating states, and in each the operating states has a different device fixed magnetic interference field.
Das Verfahren umfasst
- ein Messen eines ersten Magnetfeldsatzes mittels des Magnetkompasses unter dem Einfluss eines ersten Störfeldes des in einem ersten Betriebszustand befindlichen Gerätes,
- ein Bestimmen eines ersten Parametersatzes basierend auf dem ersten Magnetfeldsatz,
- ein Messen eines zweiten Magnetfeldsatzes mittels des Magnetkompasses unter dem Einfluss eines zweiten Störfeldes des in einem zweiten Betriebszustand befindlichen Gerätes,
- ein Bestimmen eines zweiten Parametersatzes basierend auf dem zweiten Magnetfeldsatz,
- ein Messen eines dritten Magnetfeldsatzes mittels des Magnetkompasses unter dem Einfluss eines externen Störfeldes und des ersten Störfeldes des in dem ersten Betriebszustand befindlichen Gerätes,
- ein Bestimmen eines dritten Parametersatzes basierend auf dem dritten Magnetfeldsatz, und
- ein Ableiten eines vierten Parametersatzes basierend auf dem ersten, zweiten und dritten Parametersatz.
- measuring a first magnetic field set by means of the magnetic compass under the influence of a first interference field of the device in a first operating state,
- determining a first parameter set based on the first magnetic field set,
- measuring a second magnetic field set by means of the magnetic compass under the influence of a second interference field of the device in a second operating state,
- determining a second parameter set based on the second magnetic field set,
- measuring a third magnetic field set by means of the magnetic compass under the influence of an external interference field and the first interference field of the device in the first operating state,
- determining a third parameter set based on the third magnetic field set, and
- deriving a fourth parameter set based on the first, second and third parameter set.
Der abgeleitete vierte Parametersatz entspricht dabei einem Parametersatz, der basierend auf einem vierten Magnetfeldsatz bestimmbar ist, das unter dem Einfluss des externen Störfeldes und des zweiten Störfeldes des in dem zweiten Betriebszustand befindlichen Gerätes messbar ist.The derived fourth parameter set corresponds to a parameter set which can be determined based on a fourth magnetic field set that can be measured under the influence of the external interference field and the second interference field of the device located in the second operating state.
Gemäss einer Ausführungsform des Verfahrens wird das externe magnetische Störfeld durch ein Anbringen des Gerätes an einem externen Gerät, oder durch eine Zustandsänderung an einem externen Gerät an dem das Gerät angebracht ist, bewirkt, insbesondere wobei das externe Gerät das externe magnetische Störfeld erzeugt. Dabei sind das Gerät und das externe Gerät starr zueinander aneinander angebracht, insbesondere fixiert.According to an embodiment of the method, the external magnetic interference field is caused by attaching the device to an external device, or by a state change to an external device to which the device is attached, in particular wherein the external device generates the external magnetic interference field. The device and the external device are rigidly attached to each other, in particular fixed.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses ein automatisches Erkennen des ersten und zweiten Betriebszustandes des Gerätes, insbesondere aufweisend ein Erkennen eines aktuellen Zustandes eines elektrischen Systems des Gerätes, und/oder einer aktuellen Position eines hart- oder weichmagnetischen Bauteiles des Gerätes.According to a further embodiment of the method, this comprises an automatic detection of the first and second operating state of the device, in particular comprising detecting a current state of an electrical system of the device, and / or a current position of a hard or soft magnetic component of the device.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Ausführung mindestens der folgenden Schritte des Verfahrens gemäss dem zweiten Aspekt, insbesondere wenn das Programm auf einer als Kompensationseinrichtung des Messgerätes gemäss dem ersten Aspekt ausgebildeten elektronischen Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird:
- Bestimmen des ersten Parametersatzes basierend auf dem ersten Magnetfeldsatz,
- Bestimmen des zweiten Parametersatzes basierend auf dem zweiten Magnetfeldsatz,
- Bestimmen des dritten Parametersatzes basierend auf dem dritten Magnetfeldsatz, und
- Ableiten des vierten Parametersatzes basierend auf dem ersten, zweiten und dritten Parametersatz.
- Determining the first parameter set based on the first magnetic field set,
- Determining the second parameter set based on the second magnetic field set,
- Determining the third parameter set based on the third magnetic field set, and
- Deriving the fourth parameter set based on the first, second and third parameter set.
Die Erfindung betrifft ausserdem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens, insbesondere wenn das Programm auf einer als Kompensationseinrichtung des erfindungsgemässen Messgerätes ausgebildeten elektronischen Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird.The invention also relates to a computer program product with program code, which is stored on a machine-readable carrier, for carrying out the method according to the invention, in particular when the program is executed on an electronic data processing unit designed as compensation device of the measuring device according to the invention.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
- Fig. 1
- eine beispielhafte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Messgeräts mit Magnetkompass;
- Fig. 2a-b
- das Messgerät aus
Fig. 1 , montierbar auf verschiedene externe Geräte, hier ein Stativ und eine Waffe; - Fig. 3
- eine beispielhafte Messanordnung zum Bestimmen von Zielkoordinaten eines entfernten Objekts mit einem Messgerät mit Magnetkompass auf einem Stativ;
- Fig. 4a-b
- zwei beispielhafte Betriebszustände eines erfindungsgemässen Messgeräts mit jeweils unterschiedlichem gerätefesten Störfeld;
- Fig. 5
- eine beispielhafte Anordnung von das gerätefeste Störfeld beeinträchtigenden elektrischen Systemen eines erfindungsgemässen Messgeräts;
- Fig. 6a-b
- zwei beispielhafte Betriebszustände eines erfindungsgemässen Messgeräts mit jeweils unterschiedlichem externen Störfeld;
- Fig. 7a-b
- zwei weitere beispielhafte Betriebszustände eines erfindungsgemässen Messgeräts mit jeweils unterschiedlichem externen Störfeld;
- Fig. 8
- ein Flussdiagramm zur Illustration eines beispielhaften Verfahrens zum Bestimmen einer azimutalen Ausrichtung; und
- Fig. 9a-b
- Flussdiagramme und zur Illustration eines beispielhaften Verfahrens zur Initialkompensation.
- Fig. 1
- an exemplary embodiment of an inventive measuring device with magnetic compass;
- Fig. 2a-b
- the meter off
Fig. 1 , mountable on various external devices, here a tripod and a weapon; - Fig. 3
- an exemplary measuring arrangement for determining target coordinates of a remote object with a measuring device with magnetic compass on a tripod;
- Fig. 4a-b
- two exemplary operating states of a measuring device according to the invention, each with a different field-fixed interference field;
- Fig. 5
- an exemplary arrangement of the equipment fixed interference affecting electrical systems of a measuring device according to the invention;
- Fig. 6a-b
- two exemplary operating states of a measuring device according to the invention, each with a different external interference field;
- Fig. 7a-b
- two further exemplary operating states of a measuring device according to the invention, each with a different external interference field;
- Fig. 8
- a flowchart illustrating an exemplary method for determining an azimuthal orientation; and
- Fig. 9a-b
- Flowcharts and to illustrate an exemplary method for initial compensation.
Wie in den
Im Messgerät 1, das hier als Beobachtungsgerät ausgebildet ist und ein Zielfernglas mit einer Zielachse Z aufweist, sind ein Laserentfernungsmesser und ein digitaler Magnetkompass 10 integriert. Im Gegensatz zum Laserentfernungsmesser ist der digitale Magnetkompass 10 als kleiner Quader innerhalb des Fernglases zeichnerisch angedeutet. Über den digitalen Magnetkompass 10, der hier drei gerätefest angeordnete Magnetfeldsensoren zum drei-dimensionalen Messen eines Magnetfelds M und zwei Neigungssensoren zum Messen der Richtung des Gravitationsfelds G der Erde aufweist, wird die azimutale Ausrichtung a des Messgeräts 1 relativ zu einer kalkulatorischen Nordrichtung N und dessen zenitale Ausrichtung relativ zur einer Lotrechten bestimmt.In the
Bei der kalkulatorischen Nordrichtung N ist die - in regionalem Massstab ortsabhängige - Missweisung des Erdmagnetfelds gegenüber der geographischen Nordrichtung berücksichtigt. In an sich bekannter Weise kann dies durch Übermitteln eines für die jeweilige Region spezifischen Deklinationswerts vom GPS-Empfänger 4 zum Messgerät 1 praktisch automatisch erfolgen.At the calculated north direction N is the - in regional Scale location-dependent - disregard of the geomagnetic field compared to the geographic north direction considered. In a manner known per se, this can be done practically automatically by transmitting a declination value specific to the respective region from the
Ebenso wie die Berücksichtigung des korrekten Deklinationswerts ist eine korrekte Kompensation gerätefester Störfelder eine Grundvoraussetzung für ein korrektes Bestimmen der azimutalen Ausrichtung, da sich gerätefeste Störfelder in unmittelbarer Nachbarschaft zum Magnetkompass 10 befinden und daher nicht berücksichtigte Änderungen gerätefester Störfelder beachtliche Azimutfehler verursachen können. Auch gerätefeste Störfelder sind hier bei der kalkulatorischen Nordrichtung N berücksichtigt.As well as the consideration of the correct declination value, a correct compensation of device-fixed interference fields is a prerequisite for a correct determination of the azimuthal alignment, since device-fixed interference fields are in the immediate vicinity of the
Da bei dieser Messanordnung die gerätefesten Störfelder korrekt kompensiert werden und sich keine ortsfesten Störfelder von lokalem Massstab in der Nähe des Messgeräts 1 befinden, liegt ein im Wesentliches homogenes Magnetfeld M, in dem azimutale Ausrichtungen a relativ zueinander korrekt ohne Kreisfehler bestimmt werden können. Diese Homogenität wird zusätzlich durch die Befestigung des Messgeräts 1 auf dem Stativ erhöht, da der Magnetkompass 10 nur innerhalb eines sehr kleinen Messraums von einigen wenigen Zentimetern bewegt werden kann.Since fixed interference fields are correctly compensated in this measuring arrangement and there are no stationary interference fields of local scale in the vicinity of the measuring
Ortsfeste magnetische Störfelder von regionalem Massstab, welche einen konstanten Azimutfehler verursachen, können zum Schätzen der Genauigkeit azimutaler Ausrichtungen a detektiert und grob abgeschätzt werden. Bei diesem Verfahren wird mit dem digitalen Magnetkompass 10 bei einem Bestimmen einer azimutalen Ausrichtung a gleichzeitig wenigstens eine Feldgrösse des Magnet- und Gravitationsfelds G und M, hier die magnetische Inklination, bereitgestellt. Da hier der Messort, beispielsweise über den GPS-Empfänger 4, dem Messgerät 1 bekannt ist, kann die gemessene magnetische Inklination selbsttätig mit der regional ortsabhängigen magnetischen Inklination eines Modells des Erdmagnetfelds - hier des IGRF-Modells - im Lichte eines vorgegebenen Schwellwerts beurteilt und eine Genauigkeit der azimutalen Ausrichtung a festgesetzt werden.Fixed magnetic regional field interferences that cause a constant azimuth error can be detected and estimated roughly to estimate the accuracy of azimuth alignments a. In this method, with the digital
Ist die Differenz zwischen der beim Bestimmen der azimutalen Ausrichtung a gemessenen magnetischen Inklination und der magnetischen Inklination des IGRF-Modells im Vergleich zum Schwellwert bedeutend, so ist ein ortsfestes magnetisches Störfeld von regionalem Ausmass vorhanden. In diesem Fall ist die Schätzung der Genauigkeit der azimutalen Ausrichtung a durch das Messgerät 1 entsprechend anzupassen.If the difference between the magnetic inclination measured in determining the azimuthal orientation a and the magnetic inclination of the IGRF model is significant compared to the threshold value, then a stationary magnetic interference field of regional extent is present. In this case, the estimation of the accuracy of the azimuthal orientation a by the
Ist hingegen die Differenz im Vergleich zum Schwellwert unbedeutend, so dürfte kein bedeutendes, ortsfestes magnetisches Störfeld von regionalem Ausmass vorhanden sein. Da hier zudem kein ortsfestes Störfeld von lokalem Massstab in der Nähe des Messgeräts 1 vorhanden ist und die Missweisung sowie die gerätefesten Störfelder korrekt berücksichtigt sind, kann gemäss einem weiteren Verfahren die Genauigkeit azimutaler Ausrichtungen a entsprechend einer Kompensationsgenauigkeit festgesetzt werden. Diese resultiert aus der arithmetischen Kompensation gerätefester Störfelder und stellt eine Höchstgrenze für die erreichbare Genauigkeit azimutaler Ausrichtungen a dar, wenn gerätefeste Störfelder vorhanden sind und diese beim Bestimmen azimutaler Ausrichtungen a kompensiert werden. Bei der vorliegenden Messanordnung ohne ortsfeste Störfelder wird die Genauigkeit azimutaler Ausrichtungen a in guter Näherung durch die Kompensationsgenauigkeit bestimmt.If, on the other hand, the difference is insignificant compared to the threshold value, then no significant, stationary magnetic interference field of regional extent is likely to be present. In addition, since there is no fixed local field disturbance in the vicinity of the measuring
Die arithmetische Kompensation gerätefester Störfelder erfolgt gemäss der Offenbarung der
Nachdem die azimutale Ausrichtung a des auf das Zielobjekt 5 ausgerichteten Messgeräts 1 bestimmt ist, wird an einer Schnittstelle des Messgeräts 1 ein Signal bereitgestellt, das unter anderem die bestimmte azimutale Ausrichtung a und deren geschätzte Genauigkeit umfasst. Das bereitgestellte Signal wird zum GPS-Empfänger 4 übermittelt, dort bei der Berechnung der Zielkoordinaten und deren geschätzter Genauigkeit berücksichtigt und über die Übertragungseinrichtung 7 zu einer (hier nicht dargestellten) Feuerleiteinrichtung übertragen. Anstelle einer militärischen Feuerleiteinrichtung, insbesondere bei zivilen Anwendungen, kann der Empfänger auch ein Geographisches Informationssystem (GIS) oder ein sonstiges Datenverarbeitungssystem bzw. -gerät sein, insbesondere ein handhaltbares Smartphone oder ein Tablet-Computer.After the azimuthal orientation a of the measuring
Aufgrund im Messgerät 1 implementierter Verfahren zum Schätzen der Genauigkeit der azimutalen Ausrichtung a, kann die Genauigkeit relativ zuverlässig abgeschätzt werden. Dadurch kann bei einer gegen die Zielkoordinaten geplanten Feuerwirkung ein möglicher Kollateralschaden am Haus 6 rechtzeitig erkannt werden.Due to the method of estimating the accuracy of the azimuthal alignment a implemented in the
Elektronische Messgeräte 1 wie das in
Dabei zeigen die
Wird eine Kompensation des Magnetkompasses 10 in diesem Betriebszustand des Gerätes 1 durchgeführt, d. h. mit diesen Positionen der beiden Schalter 40, 42, so ist eine hochgenaue Bestimmung der azimutalen Ausrichtung anhand des Magnetfeldes 11 auch nur in diesem Betriebszustand möglich.If a compensation of the
In Figur 3b ist eine Situation dargestellt, in welcher der Schiebeschalter 40 von der ersten Position 44 (siehe
Aufgrund des entstehenden Versatzes 13 müsste bei Geräten und Verfahren des Standes der Technik nun eigentlich eine neue Kompensation erfolgen, was für den Benutzer aber zeitaufwendig wäre und daher oft lästig. Oft führen das Unwissen über die Notwendigkeit einer erneuten Kompensation oder die Mühseligkeit des Verfahrens dazu, dass der Anwender keine erneute Kompensation durchführt, was die Genauigkeit des Kompasses 10 reduziert.Due to the resulting offset 13 would be in devices and methods of the prior art now actually be a new compensation, which would be time-consuming for the user and therefore often annoying. Often, ignorance of the need for re-compensation or the difficulty of the process results in the user refraining from compensating, which reduces the accuracy of the
Das Gerät weist daher vorzugsweise eine Kompensationseinrichtung auf, die dazu ausgestaltet ist, den Betriebszustand des Gerätes zu erfassen und - abhängig von einem ersten Betriebszustand während der Kompensation und einem aktuellen Betriebszustand - einen Parameterversatzwert zu berechnen bzw. aus einem Datenspeicher der Kompensationseinrichtung abzurufen. Dieser Versatzwert wird dann bei der Ermittlung der tatsächlichen azimutalen Ausrichtung des Geräts 1 berücksichtigt.The device therefore preferably has a compensation device which is designed to detect the operating state of the device and to calculate a parameter offset value or to retrieve it from a data memory of the compensation device, depending on a first operating state during the compensation and a current operating state. This offset value is then taken into account in determining the actual azimuthal orientation of the
Mit Bezug zu den
Sowohl die Leitungen als auch die Verbraucher stellen als zuschaltbare elektrische Systeme mögliche elektrische Störquellen 21-28 für den Magnetkompass 10 dar. Wird eine Kompensation des Gerätes 1 in einem Zustand durchgeführt, in dem das GPS-Modul 24 und das LCD-Display 26 eingeschaltet sind, d. h. entsprechende Ströme durch die elektrischen Leitungen 23, 25 zu den beiden Verbrauchern fliessen, werden diese hartmagnetischen Störquellen kompensiert, sodass der Magnetkompass 10 in diesem Zustand des Gerätes 1 zuverlässig funktioniert.Both the lines and the consumers as switchable electrical systems possible electrical interference sources 21-28 for the
Wird danach jedoch die Nachtsichtvorrichtung 22 in Betrieb genommen, fliessen zusätzliche Ströme durch die Leitung 21. Diese zusätzliche, nicht kompensierte Störquelle verursacht eine fehlerhafte Messung des Magnetkompasses 10.If, however, the night-vision device 22 is put into operation thereafter, additional currents flow through the
Darüber hinaus kann die Nachtsichtfunktion einen erhöhten Stromverbrauch des LCD-Displays 26 verursachen, wodurch die Störquelle des Stromflusses zu diesem elektrischen System grösser wird.In addition, the night vision function may cause increased power consumption of the
Auch in dieser Ausführungsform weist das Gerät eine Kompensationseinrichtung 50 auf, die dazu ausgestaltet ist, den Betriebszustand des Gerätes zu erfassen und abhängig von einem ersten Betriebszustand während der Kompensation und einem aktuellen Betriebszustand einen magnetischen Versatzwert zu berechnen bzw. aus einem Speicher abzurufen. In dieser Ausführungsform ist die Kompensationseinrichtung 50 dazu ausgestaltet, den Zustand der einzelnen elektrischen Systeme zu erfassen. Der Störeinfluss jedes dieser Systeme sowohl im ein- als auch ausgeschalteten Zustand auf den Magnetkompass 10 ist bekannt und vorzugsweise ab Werk in einem Speicher der Kompensationseinrichtung 50 hinterlegt.Also in this embodiment, the device has a
Mit Bezug zu dem oben beschriebenen Beispiel heisst das, dass die Kompensationseinrichtung 50 erkennt, dass während der Kompensation das GPS-Modul 24 und das LCD-Display 26 eingeschaltet sind, und anschliessend mit der Nachtsichtvorrichtung 22 ein weiteres Gerät in Betrieb genommen wird, das den Magnetkompass 10 im eingeschalteten Zustand beeinträchtigt. Der Unterschied der Beeinträchtigungen, d. h. hier die zusätzliche Beeinträchtigung durch die eingeschaltete Nachtsichtvorrichtung 22, ist als Versatzwert in dem Speicher der Kompensationseinrichtung 50 hinterlegt und wird zur Ermittlung der aktuellen azimutalen Ausrichtung herangezogen.With reference to the example described above, this means that the
Die Zoomvorrichtung 30 weist hier ein verstellbares optisches Element 32 auf. Auch dieses kann teilweise hart- oder weichmagnetisch sein. Vorzugsweise ist daher auch eine Position des optischen Elements 32 durch die Kompensationseinrichtung 50 erfassbar und entsprechende Versatzwerte sind im Speicher abrufbar bereitgestellt.The
Von den "inneren" Betriebszuständen des Gerätes, in denen der Magnetkompass einem jeweils unterschiedlichem gerätefesten Magnetfeld ausgesetzt ist, werden in diesem Dokument die "äusseren" Anwendungszustände des Gerätes unterschieden, in denen der Magnetkompass einem jeweils unterschiedlichem externen Magnetfeld ausgesetzt wird, das insbesondere von einem externen Gerät erzeugt werden kann, in dessen Nähe der Kompass positioniert ist.Of the "internal" operating states of the device in which the magnetic compass is exposed to a different device-fixed magnetic field, the "external" application states of the device are distinguished in this document, in which the magnetic compass is exposed to a respective different external magnetic field, in particular of a external device can be generated, near which the compass is positioned.
Die
In den
Andere, hier nicht gezeigte, Beispiele für eine Änderung eines externen hart- und weichmagnetischen Störfeldes umfassen unter anderem das Montieren auf einem Stativ oder der Einsatz einer neuen Batterie.Other, not shown, examples of a change of an external hard and soft magnetic interference field include, among other things, mounting on a tripod or the use of a new battery.
Da sich die geräteinternen magnetischen Eigenschaften nicht verändern, genügt es, im jeweils zweiten (oder weiteren) Anwendungszustand eine Kompensation nur in einem Betriebszustand des Gerätes manuell durchzuführen. Für einen zweiten Betriebszustand (oder beliebig viele weitere Betriebszustände) können die Werte aus den anderen Kompensationen ermittelt werden, wie nachfolgend beschrieben wird.Since the device-internal magnetic properties do not change, it is sufficient to carry out a compensation in the second (or further) application state only manually in an operating state of the device. For a second operating state (or any number of further operating states), the values from the other compensations can be determined, as described below becomes.
Beschrieben wird ein Verfahren zur Extrapolation eines Parametersatzes zur Kompensation magnetischer Störungen aus drei anderen bekannten Parametersätzen, wobei eine Sensoranordnung zur Magnetfeldmessung auf einen Träger montiert wird, der zum Beispiel ein Beobachtungsgerät sein kann, und der sowohl weich- als auch hartmagnetische Materialien enthält, die sich in verschiedenen Lagen und/oder verschiedenen Magnetisierungszuständen befinden können, je nach Betriebszustand der Verwendung des besagten Trägers. Dabei wird ein erster Parametersatz in einem ersten Zustand bestimmt, ein weiterer Parametersatz in einem zweiten Zustand. In einem dritten wird ein zusätzlicher magnetischer Störer an dem besagten Träger befestigt, und in einem der beiden vorherigen Zustände ein Parametersatz bestimmt. Aus den vorhandenen Parametersätzen wird dann ein geeigneter Parametersatz für den anderen Zustand mit dem zusätzlichen Störer hergeleitet.A method is described for extrapolating a magnetic interference compensation parameter set from three other known parameter sets, wherein a magnetic field sensor assembly is mounted on a support, which may be, for example, an observation device, and which contains both soft and hard magnetic materials in different positions and / or different states of magnetization, depending on the operating state of the use of the said carrier. In this case, a first parameter set is determined in a first state, another parameter set in a second state. In a third, an additional magnetic interferer is attached to said carrier, and a parameter set determined in one of the two previous states. From the existing parameter sets, a suitable parameter set for the other state with the additional interferer is derived.
Dieses Verfahren kann durchgeführt werden, sowohl bei bekannten Umgebungsfeldstärken, d. h. für ein physikalische korrekt kalibriertes Magnetometer auf dem Träger oder für eine unkalibrierte Magnetfeldsensoranordnung auf dem Träger, als auch bei unbekannten Umgebungsfeldstärken, d. h. bei demselben Umgebungsfeld für alle Messungen oder bei verschiedenem Umgebungsfeld für jede Messung.This method can be performed both at known ambient field strengths, i. H. for a physically correctly calibrated magnetometer on the carrier or for an uncalibrated magnetic field sensor assembly on the carrier, as well as for unknown ambient field strengths, d. H. at the same environmental field for all measurements or for different environmental field for each measurement.
Das Verfahren gilt für beliebig viele interne Zustände 1,2,...,N ("Betriebszustände"; vgl.
Dabei nimmt die Verwendung ohne Zusatzstörer eine Sonderstellung ein, indem man annimmt, dass ihre Parameter über längere Zeit stabil bleiben.In this case, the use without additional bugs occupies a special position, assuming that their parameters remain stable over a longer period of time.
Das grundlegende mathematische Störungsmodell ist zum Beispiel in der
- r:
- 3×1-Vektor der magnetischen Daten wie von den Sensoren gemessen
- M:
- 3×3-weichmagnetische Matrix (welche im Allgemeinen auch die Effekte der Sensor-Skalenfehler und Nichtorthogonalitäten enthält)
- bE:
- 3×1-Vektor des Umgebungs-Magnetfeldes (Erdmagnetfeld oder zusätzliche erdfeste Störfelder)
- o:
- 3×1-Vektor der hartmagnetischen Störfelder (welche im Allgemeinen auch die Effekte der Sensor-Offset enthält)
- r:
- 3 × 1 vector of magnetic data as measured by the sensors
- M:
- 3 × 3 soft magnetic matrix (which generally also includes the effects of sensor scale errors and non-orthogonality)
- b E :
- 3 × 1 vector of the ambient magnetic field (geomagnetic field or additional earth-fixed interference fields)
- O:
- 3 × 1 vector of hard magnetic interference fields (which generally also includes the effects of sensor offset)
Diese Gleichung kann invertiert und nach dem Erdmagnetfeld aufgelöst werden:
Eine hart-/weichmagnetische Kompensation, wie beispielsweise beim DMC-SX der Firma Vectronix realisiert, bestimmt M, respektive m, und o.A hard / soft magnetic compensation, as implemented for example in the DMC-SX by Vectronix, determines M, respectively m, and o.
Wir betrachten in genauerem Detail die Zusammensetzung der weichmagnetischen Matrix M des vorherigen Kapitels und betrachten den Effekt, welche magnetische Störungen auf die physikalischen Felder haben:
- b:
- gesamtes physikalisches Feld in physikalischen Einheiten (z.B. T = Tesla, µT, nT, G = Gauss)
- bE:
- Erdmagnetfeld in denselben Einheiten
- Dk:
- Streumatrix des weichmagnetischen Störers k
- bdj :
- hartmagnetischer Vektor des Störers j (vorteilhaft Numerierung j=k, M=N)
- b:
- total physical field in physical units (eg T = Tesla, μT, nT, G = Gauss)
- b E :
- Earth's magnetic field in the same units
- D k :
- Scatter matrix of the soft magnetic interferer k
- b dj :
- hard-magnetic vector of the jammer j (advantageous numbering j = k, M = N)
Diese Information kann benutzt werden, um das eigentliche Erdfeld herauszufiltern:
In einem digitalen Magnetkompass, wie zum Beispiel dem DMC-SX der Firma Vectronix, wird die Messung der Magnetfelder durch magnetische Feldsensoren vorgenommen. Diese können durch ihre Messrichtungen, Skalenfaktoren und Offsetfehler beschrieben werden:
- rk:
- Rohdatenwert
- fk:
- Skalenfaktor (inklusive Verstärkungsfaktoren usw.)
- ek:
- 3×1-Einheitsvektor in Richtung der Sensormessachse
- vT :
- transponierter (1×3) Vektor
- mk:
- 3×1-Vektor, kombinierter Effekt von Skalenfaktor und Richtung (=fk×ek)
- ok:
- Sensoroffset (Nullpunktsfehler)
- b:
- physikalisches Feld am Ort des Sensors
- r k :
- raw value
- f k :
- Scale factor (including gain factors, etc.)
- e k :
- 3 × 1 unit vector in the direction of the sensor measuring axis
- v T :
- transposed (1 × 3) vector
- m k :
- 3 × 1 vector, combined effect of scale factor and direction (= f k × e k )
- o k :
- Sensor offset (zero error)
- b:
- physical field at the location of the sensor
Dies kann mit einer Sensormatrix Ms, und Offsetvektor os beschrieben werden, wobei dann insgesamt für die letztendlich gemessenen Sensorwerte r (Rohdaten), inklusive der physikalischen Effekte der Störer gilt:
- r:
- 3×1 Rohdatenvektor
- Ms:
- 3×3 Matrix der Skalenfehler und Orhtogonalitätsabweichungen
- os:
- 3×1 Vektor der Sensoroffsets
- r:
- 3 × 1 raw data vector
- M s :
- 3 × 3 matrix of scale errors and orthogonality deviations
- o s :
- 3 × 1 vector of sensor offsets
Dies wird invertiert, um das Erdmagnetfeld in physikalischen Einheiten zu erhalten:
Bei Feldkompensationen, die ohne weitere externe Hilfsmittel stattfinden, besteht keine Möglichkeit, das durch Inversion der physikalisch-technischen Gesamtgleichung bestimmbare Erdmagnetfeld in physikalischen Einheiten anzuzeigen, da die physikalische Feldstärke des Umgebungsfelds nicht bekannt ist, und ohne weitere Hilfsmittel (z. B. einem physikalisch kalibrierten Magnetfeldmessgerät) auch nicht bestimmt werden kann. Zwar könnte die Sensormatrix Ms bei ausreichender Stabilität der Sensoren im Werk bestimmt werden, jedoch ergeben sich durch die geräteinternen weichmagnetischen Effekte objektive Feldvergrösserungen oder Feldverkleinerungen (Flusskonzentration, respektive Flussdispersion), die als unbekannt vorausgesetzt werden müssen.In the case of field compensations, which take place without further external aids, there is no possibility to display the geomagnetic field detectable by inversion of the overall physical-technical equation in physical units, since the physical field strength of the surrounding field is not known, and without further aids (eg a physical calibrated magnetic field meter) can not be determined. Although the sensor matrix M s could be determined with sufficient stability of the sensors in the factory, the device-internal soft magnetic effects result in objective field enlargements or field reductions (flux concentration, respectively flux dispersion), which must be assumed to be unknown.
In einer praktikablen Feldkompensation für einen magnetischen Kompass wie dem DMC-SX, der nur Richtungen und keine objektiven Feldstärken benötigt, wird deshalb eine einheitliche Skalierung des angezeigten Feldes auf einen festen Zahlenwert fD durchgeführt:
Insgesamt:
bDE: 3×1-Vektor, Erdmagnetfeld wie angezeigt durch das Interface des DMC
bE: 3×1-Vektor, Erdmagnetfeld in physikalischen Einheiten (z. B. T = Tesla, µT, nT, G = Gauss)
Ms: 3×3-Magnetfeldsensormatrix
Md: 3×3-Matrix der weichmagnetischen Effekte
- I:
- 3×3-Identitätsmatrix
- Dk:
- 3×3-Matrix, die die Streuung des Erdmagnetfelds am Weichmagneten K beschreibt (k = 1 ... N)
- os
- 3×1-Vektor der Sensoroffsets
- od
- 3×1-Vektor äquivalenter Sensoroffsets entsprechend der Summe der hartmagnetischen Störfelder
b DE : 3 × 1 vector, geomagnetic field as indicated by the DMC interface
b E : 3 × 1 vector, Earth's magnetic field in physical units (eg T = Tesla, μT, nT, G = Gauss)
M s : 3 × 3 magnetic field sensor matrix
M d : 3 × 3 matrix of soft magnetic effects
- I:
- 3 × 3 identity matrix
- D k :
- 3 × 3 matrix describing the scattering of the earth's magnetic field at the soft magnet K (k = 1 ... N)
- o s
- 3 × 1 vector of sensor offsets
- o d
- 3 × 1 vector of equivalent sensor offsets corresponding to the sum of the hard magnetic interference fields
Insgesamt ergeben sich die kombinierten Matrizen und Vektoren:
Wir nehmen an, dass wir ein Gerät mit eingebautem DMC in mehrere mögliche Zustände bringen können, welche sich im Allgemeinen sowohl hart- als auch weichmagnetisch unterscheiden.
In jedem der Zustände werden die oben beschriebenen kombinierten weichmagnetischen Matrizen und hartmagnetischen Offsets bestimmt.In each of the states, the above-described combined soft magnetic matrices and hard magnetic offsets are determined.
An das Gerät wird dann ein weiterer hart- und weichmagnetischer Störer angebaut oder anderweitig in eine geometrisch feste Beziehung gebracht, wodurch ein kombinierter Zustand ZM entsteht:
Ziel: Das Gerät wird nur in einem der Zustände ZM weich-/hartmagnetisch kompensiert. Alle weiteren Z' M werden aus den Parametern der vorherigen Zustände Z, Z' und dem Zustand ZM extrapoliert.Objective: The device is only compensated in one of the states ZM soft / hard magnetic. All further Z 'M are extrapolated from the parameters of the previous states Z, Z' and the state ZM.
Die physikalischen Streumatrizen seien durch magnetische Kompensationsverfahren mittels physikalisch objektiver Messungen (z.B. eines kalibrierten Magnetometers im Gerät und am Ort der Kompensation zur Bestimmung der objektiven Erdfeldstärke) eruiert worden, in je einem Zustand Z und Z'. Dann gilt jeweils:
Wird ein weiterer Störer M zum Zustand Z des Gerätes hinzugefügt, und physikalische kompensiert, so gilt:
- b:
- physikalisches Gesamtfeld (Erdfeld und Störer)
- bE:
- physikalisches Erdfeld
- MZM = I + DZM = I +DZ + DM
- gesamte weichmagnetische Matrix
- bdZM = bdZ + bdM
- gesamter hartmagnetischer Vektor
- b:
- physical total field (earth field and disturber)
- b E :
- physical earth field
- M ZM = I + D ZM = I + D Z + D M
- entire soft magnetic matrix
- b dZM = b dZ + b dM
- entire hard magnetic vector
Es wird nun gewünscht, ohne weitere vom Benutzer durchgeführte Kompensation den magnetischen Gesamtzustand eines weiteren Gerätezustandes Z' mit Störer M zu bestimmen.It is now desired to determine the overall magnetic state of a further device state Z 'with interferer M without further compensation by the user.
Dabei gilt:
- MZ'M = I + DZ'M = I + DZ' + DM
- gesamte weichmagnetische Matrix
- bdZ'M = bdZ' + bdM
- gesamter hartmagnetischer Vektor
- M Z'M = I + D Z'M = I + D Z ' + D M
- entire soft magnetic matrix
- b dZ'M = b dZ ' + b dM
- entire hard magnetic vector
Daraus folgt aber:
Damit sind die gesuchten Grössen auf bereits bekannte zurückgeführt, wie gewünscht.Thus the sought sizes are already known returned as desired.
Wie weiter oben beschrieben enthalten die im Gerät gemessenen Rohdaten r zusätzlich den Effekt der Magnetfeldsensorfehler, inklusive nachfolgender Verstärkung und Digitalisierung, beschrieben durch die Sensormatrix Ms und Sensoroffsets os:
Die Sensormatrix Ms und Sensoroffsets os seien bekannt, stabil und separat abgespeichert, zum Beispiel durch eine Werksmessung mit Abspeicherung im DMC selber. Damit wird de facto wieder ein kalibriertes Magnetfeldmessgerät erzeugt.The sensor matrix M s and sensor offsets o s are known, stable and stored separately, for example by a factory measurement with storage in the DMC itself. This will de facto produce a calibrated magnetic field meter again.
Zusätzlich sei wie im vorherigen Kapitel eine objektive physikalische Messung des Umgebungs-Magnetfelds am Ort der Kompensation vorhanden.Additionally, as in the previous chapter, there is an objective physical measurement of the ambient magnetic field at the compensation location.
In einem ersten Schritt berechnen wir jeweils das objektive physikalische Feld im Gerät aus den Rohdaten:
Mit diesem Feld können wir wie oben beschrieben fortfahren. Der Gesamteffekt ist dann gegeben durch
Wie weiter oben beschrieben nehmen wir an, dass keine Messung der Magnetfelder des Kompensationsortes in absoluten physikalischen Einheiten möglich ist, wodurch eine willkürlich festgelegte Skalierung des angezeigten Erdmagnetfeldes vorgenommen werden muss, auf einen festgelegten Wert fD, z. B. 4096.As described above, we assume that no measurement of the magnetic fields of the compensation location in absolute physical units is possible, whereby an arbitrary fixed scaling of the displayed geomagnetic field must be made to a set value f D , z. Eg 4096.
In diesem Fall spielt es keine Rolle, ob die Sensormatrix MS und Sensoroffsets oS aus einer Werkskalibration bekannt sind. Wir nehmen daher an, dass die Matrix MS zwar zwischen den Kompensationen Z, Z' und ZM stabil bleibt, aber nicht notwendigerweise bekannt ist. Für die Sensoroffsets muss nichts angenommen werden.In this case, it does not matter if the sensor matrix M S and sensor offsets O S are known from a factory calibration. We therefore assume that the matrix M S remains stable between the compensations Z, Z 'and ZM, but is not necessarily known. Nothing has to be assumed for the sensor offsets.
Wie weiter oben hergeleitet, können die Kompensationen dann wie folgt mathematisch beschrieben werden:
Wir nehmen wie in den vorherigen Kapiteln an, dass vollständige hart- und weichmagnetische Kompensationen Z und Z' für das Gerät ohne Zusatzstörer vorhanden sind, plus eine Kompensation ZM für Gerät plus Zusatzstörer. Gesucht wird die Extrapolation dieser Resultate auf den Fall Z'M.As in the previous chapters, we assume that there are complete hard and soft magnetic compensations Z and Z 'for the device without additional baffles, plus a compensation ZM for device plus additional baffle. The extrapolation of these results to the case Z'M is sought.
Werden alle Kompensationen am selben Ort vorgenommen, so erhalten wir (im besten Fall, bei unwesentlicher zeitlicher Änderung des lokalen Umgebungsfeldes) denselben Skalierungsfaktor. Dann gilt:
Und gesucht wird:
Dabei ergibt sich aber:
Wir nehmen wieder an, dass vollständige hart- und weichmagnetische Kompensationen Z und Z' für das Gerät ohne Zusatzstörer vorhanden sind, plus eine Kompensation ZM für Gerät mit Zusatzstörer. Gesucht wird die Extrapolation dieser Resultate auf den Fall Z'M.We assume again that complete hard and soft magnetic compensations Z and Z 'are available for the device without additional baffle, plus a compensation ZM for device with additional baffle. The extrapolation of these results to the case Z'M is sought.
Anders als im vorherigen Kapitel werden aber alle Kompensationen an verschiedenen Orten oder bei unterschiedlichen Umgebungsfeldern vorgenommen, so dass wir verschiedene Kompensationsfaktoren erhalten. Dies dürfte bei weitem der häufigste Fall sein. Dann gilt, unter Einführung der zusätzlichen Definition
Und gesucht wird:
Zwar ergibt sich somit nach wie vor für die hartmagnetischen Gesamtoffsets:
Aber die oben gezeigte einfache Addition und Subtraktion der weichmagnetischen Gesamtmatrizen ist nicht mehr möglich:
Wir erhalten also zusätzliche, unkorrekte weichmagnetische Anteile.So we get additional, incorrect soft magnetic parts.
Eine allgemeine Lösung ist nicht möglich, jedoch kann eine Näherung verwendet werden. Typischerweise sind die weichmagnetischen Effekte relativ klein, im Bereich 1E-2 des Erdmagnetfeldes.A general solution is not possible, but an approximation can be used. Typically, the soft magnetic effects are relatively small, in the range 1E-2 of the earth's magnetic field.
Aus der Matrizenrechnung ist die folgende Reihenentwicklung bekannt, in Analogie zur bekannten Taylorreihe der entsprechenden skalaren Formel:
Damit ergibt sich aber:
Der zusätzliche Faktor fZ'/fZ ist für die Verwendung zur Richtungsfindung unwesentlich. Sofern die Z, Z' Messungen am selben Ort stattfanden (zum Beispiel im Rahmen einer Werkskalibration), ist er Eins.The additional factor f Z ' / f Z is insignificant for use for direction finding. If the Z, Z 'measurements took place at the same location (for example, within the framework of a factory calibration), then it is one.
Die
Betriebszuständen des Gerätes. Dabei wird der Übersichtlichkeit halber der einfachste Fall dargestellt, bei dem das Gerät zwei Anwendungszustände und zwei Betriebszustände einnimmt, also insgesamt 2 × 2 = 4 Gesamtzustände. Mit einer steigenden Zahl an möglichen Betriebs- und/oder Anwendungszuständen steigt entsprechend die Zahl der aus vorhandenen Parametersätzen ermittelbaren Parametersätze, für die keine Messung vonnöten ist.Operating states of the device. In this case, the simplest case is shown for the sake of clarity, in which the device occupies two application states and two operating states, ie a total of 2 × 2 = 4 overall states. With an increasing number of possible operating and / or application states, the number of parameter sets which can be determined from existing parameter sets and for which no measurement is required increases accordingly.
In
Danach wird das Gerät in einen zweiten Betriebszustand versetzt 122, insbesondere manuell durch einen Benutzer. Der Anwendungszustand bleibt zunächst unverändert 121. Beispielsweise ist das Gerät also weiterhin im handgehaltenen Zustand (unmontiert), aber die Infrarotsichteinrichtung ist nun eingeschaltet, was ein gerätefestes Störfeld erzeugt. In diesem zweiten Gesamtzustand werden nun ein zweites Magnetfeld gemessen 123 und darauf basierend ein zweiter Parametersatz bestimmt 124. Letzterer wird gespeichert 150.Thereafter, the device is placed in a second operating state 122, in particular manually by a user. The application state remains initially unchanged 121. Thus, for example, the device is thus still in the hand-held state (unmounted), but the infrared device is now turned on, which generates a device-fixed interference field. In this second overall state, a second magnetic field is then measured 123 and based on this a second parameter set is determined 124. The latter is saved 150.
Anschliessend wird das Gerät in einen zweiten Anwendungszustand versetzt 131, also beispielsweise auf ein externes Gerät montiert, das ein externes magnetisches Störfeld erzeugt. Der erste Betriebszustand wird wiederhergestellt 132. In diesem dritten Gesamtzustand werden nun ein drittes Magnetfeld gemessen 133 und darauf basierend ein dritter Parametersatz bestimmt 134. Letzterer wird gespeichert 150.Subsequently, the device is placed in a second application state 131, that is, for example, mounted on an external device that generates an external magnetic interference field. The first operating state is restored 132. In this third overall state, a third magnetic field is now measured 133 and, based thereon, a third parameter set is determined 134. The latter is stored 150.
Daraufhin wird das Gerät im zweiten Anwendungszustand belassen 141, bleibt also beispielsweise montiert, und der zweite Betriebszustand wird erneut hergestellt 142. In diesem vierten Gesamtzustand werden nun ein viertes Magnetfeld gemessen 143 und darauf basierend ein vierter Parametersatz bestimmt 144. Letzterer wird gespeichert 150.The device is then left in the
Nachdem für jeden möglichen Gesamtzustand ein entsprechender Parametersatz vorhanden ist, ist die Initialkompensation 100 abgeschlossen, und das Gerät kann bestimmungsgemäss verwendet werden 200.After a corresponding parameter set is available for every possible overall state, the
In
Dieser entspricht dem in
Claims (15)
dadurch gekennzeichnet, dass
der abgeleitete vierte Parametersatz einem Parametersatz entspricht, der basierend auf einem vierten Magnetfeldsatz bestimmbar ist, der in einem vierten Gesamtzustand des Messgerätes (1), in dem das Messgerät (1) den zweiten Betriebszustand und den zweiten Anwendungszustand einnimmt, messbar ist.Measuring device (1) according to claim 1,
characterized in that
the derived fourth parameter set corresponds to a parameter set which is determinable based on a fourth magnetic field set measurable in a fourth overall state of the measuring device (1) in which the measuring device (1) assumes the second operating state and the second application state.
dadurch gekennzeichnet, dass
das Messgerät (1) ein handhaltbares optoelektronisches Beobachtungsgerät ist, insbesondere aufweisend
characterized in that
the measuring device (1) is a handheld optoelectronic observation device, in particular comprising
der Magnetkompass (10) mindestens drei gerätefest angeordnete Messsensoren zum Messen eines Magnetfelds und der Richtung des Gravitationsfelds aufweist.Measuring device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that
the magnetic compass (10) has at least three measuring sensors arranged fixed to the device for measuring a magnetic field and the direction of the gravitational field.
die Kompensationseinrichtung (50) zum Kompensieren hartmagnetischer und weichmagnetischer gerätefester Störfelder ausgestaltet ist.Measuring device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that
the compensation device (50) is designed to compensate for hard-magnetic and soft-magnetic device-fixed interference fields.
das Messgerät (1) dazu ausgestaltet ist, an einem externen Gerät (80, 81, 82) angebracht zu werden, das ein externes Störfeld erzeugt, und in mindestens einem der mindestens zwei Anwendungszustände an dem externen Gerät (80, 81, 82) angebracht ist, wobei der erste und der zweite Anwendungszustand des Messgerätes (1) sich hinsichtlich des externen Störfeldes des externen Gerätes (80, 81, 82) voneinander unterscheiden, insbesondere wobei das Messgerät (1) dazu ausgestaltet ist,
the meter (1) is adapted to be attached to an external device (80, 81, 82) that generates an external noise field, and attached to the external device (80, 81, 82) in at least one of the at least two application states is, where the first and the second application state of the measuring device (1) differ from one another with regard to the external interference field of the external device (80, 81, 82), in particular wherein the measuring device (1) is designed to
die Kompensationseinrichtung (50) eine Erfassungseinheit zum Erfassen eines aktuellen Betriebszustandes und/oder Anwendungszustandes des Messgerätes (1) aufweist, insbesondere wobei die Erfassungseinheit dazu ausgestaltet ist den aktuellen Betriebszustand bzw. Anwendungszustand automatisch zu erfassen.Measuring device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that
the compensation device (50) has a detection unit for detecting a current operating state and / or application state of the measuring device (1), in particular wherein the detection unit is configured to automatically detect the current operating state or application state.
dadurch gekennzeichnet, dass
die Erfassungseinheit dazu ausgestaltet ist,
characterized in that
the detection unit is designed to
dadurch gekennzeichnet, dass
characterized in that
mindestens ein hart- oder weichmagnetisches Bauteil, das dazu ausgestaltet ist, mindestens zwei unterschiedliche Positionen im oder am Messgerät (1) einzunehmen, wobei der erste und der zweite Betriebszustand sich darin voneinander unterscheiden, dass das hart- oder weichmagnetische Bauteil jeweils eine andere Position aufweist, insbesondere wobei das hart- oder weichmagnetische Bauteil
at least one hard or soft magnetic component, which is designed to occupy at least two different positions in or on the measuring device (1), wherein the first and the second operating state differ from each other in that the hard or soft magnetic component respectively has a different position, in particular where the hard or soft magnetic component
dadurch gekennzeichnet, dass
das externe magnetische Störfeld durch ein Anbringen des Gerätes an einem externen Gerät (80, 81, 82) bewirkt wird, insbesondere wobei das externe Gerät (80, 81, 82) das externe magnetische Störfeld erzeugt.Method according to claim 11,
characterized in that
the external magnetic interference field is caused by attaching the device to an external device (80, 81, 82), in particular wherein the external device (80, 81, 82) generates the external magnetic interference field.
dadurch gekennzeichnet, dass
das externe magnetische Störfeld durch eine Zustandsänderung an einem externen Gerät (80, 81, 82) an dem das Gerät angebracht ist, bewirkt wird, insbesondere wobei das externe Gerät (80, 81, 82) das externe magnetische Störfeld erzeugt.Method according to claim 11,
characterized in that
the external magnetic interference field is caused by a state change on an external device (80, 81, 82) to which the device is attached, in particular wherein the external device (80, 81, 82) generates the external magnetic interference field.
gekennzeichnet durch
ein automatisches Erkennen des ersten und zweiten Betriebszustandes des Gerätes, insbesondere aufweisend ein Erkennen
marked by
an automatic recognition of the first and second operating state of the device, in particular having a recognition
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